鉴于节能减排以及高安全性的使用需求,含铝中锰钢成为近年来钢铁材料的研究热点之一。本文在前期开发的0.1C5Mn3Al层状双相钢研究基础上,系统地研究了室温冷锻（CF）、高温热轧（HR）和中温拉拔（WD）等不同制备工艺及后续退火对层状双相钢组织和性能的影响。利用扫描电子显微镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）和透射电子显微镜（TEM）等表征手段系统地研究了不同工艺变形及退火过程中层状双相钢的微观结构演变规律;利用单轴拉伸测试及硬度测试等获得了不同工艺条件下材料的力学性能,利用纳米压痕、原位微柱（Micro-pillar）压缩、微观原位数字图像关联（DIC）技术和透射电子显微镜（In-situ TEM）原位拉伸等表征手段分析了材料的微观变形机理及变形过程中的应力应变分布。主要研究结果如下:（1）以室温冷锻的方式制备了von Mises应变量为1.05（变形量为60%）的冷锻态层状双相钢,并对其进行了不同温度和时间的退火处理。结果表明冷锻变形后铁素体与马氏体仍为交替排列的层状双相结构,铁素体和马氏体层明显细化,两相均发生严重塑性变形,材料强度大幅度提高,但延伸率明显下降。退火时样品强度快速下降,延伸率没有明显的改善,如经过600 ℃退火5 min后,样品的抗拉强度为910 MPa,与冷锻处理前的原始态样品（AR）的强度相近,但均匀延伸率和总延伸率仅有9%和11%;通过纳米压痕表征发现,原始态样品因其马氏体相中的应力可以通过界面释放到相邻的铁素体中,使应力集中得到缓解而具有更好的延伸率。（2）以高温热轧工艺（终轧温度950℃）成功制备了von Mises应变量分别为2.0、2.5、2.9、4.5（变形量为82%、89%、92%和98%）的铁素体和马氏体层状双相钢。研究发现随变形量的增加,样品的微观组织逐渐细化,抗拉强度逐渐升高而延伸率变化不大。von Mises应变量为4.5的样品,其马氏体板条尺寸约240 nm,铁素体亚晶尺寸约540 nm,屈服强度和抗拉强度分别达到965 MPa和1277 MPa,同时总延伸率为11.8%。通过基于SEM的原位微柱压缩、SEM的原位DIC和基于TEM的原位拉伸等表征技术系统研究了高温热轧态样品的变形过程。研究发现经大应变高温热轧后,在冷却过程中由变形奥氏体相变获得的细小相变板条（Lath）马氏体具有较强的变形能力,使界面处的应力集中得到有效缓解;同时,两相的层厚细化有利于应变均匀化,从而使材料获得良好的强塑性匹配。层状结构和细小的马氏体板条尺寸使裂纹沿马氏体板条界面发生偏转,裂纹呈锯齿状,延缓了裂纹的扩展。层状结构和马氏体相良好的变形能力是材料在保持高强度的同时仍具有高延伸率的关键因素。（3）以中温拉拔工艺（保温温度600℃）制备了不同变形量的层片状双相钢,这种双相钢由层片状铁素体和弥散分布的渗碳体组成。中温拉拔前的保温过程中原马氏体层发生相变,形成由铁素体和碳化物析出的层片状组织并在拉拔后发生细化,获得了碳化物颗粒呈带状分布在铁素体基体上的层片状结构。随着拉拔变形量的增加,样品组织得到有效细化,样品的抗拉强度逐渐增加,但延伸率则快速下降。von Mises应变量为1.96（变形量为85%）样品的层厚降至1.8μm,其抗拉强度达到1388 MPa,是目前0.1C5Mn3Al层状双相钢中已知的最高强度。对选定的中温拉拔态样品进行了不同温度和时间的退火处理,退火样品的延伸率得到改善,但其工程应力-应变曲线均出现了明显的不连续屈服现象。综上,通过对室温冷锻、高温热轧以及中温拉拔工艺制备的0.1C5Mn3Al层状双相钢微观组织及力学性能的研究发现,随变形量的提高,样品层厚逐渐降低,组织得到细化,强度逐渐升高。此外,对于冷锻态和温拉拔态样品,其延伸率随变形量的增加快速降低,细化后的组织结构结合不同的退火工艺,可获得一定的强塑性匹配,而热轧态样品则仅通过变形量的增加就可获得更加优异的强塑性匹配。利用原位力学测试手段,对0.1C5Mn3Al层状双相钢的微观变形机理进行了深入系统的研究。研究表明高温热轧后产生的相变马氏体在细化至亚微米至纳米级后,具有良好的变形能力;同时,细化的层状结构使变形过程中的应力分布更为均匀,应力集中得到缓解,从而得到优异的强塑性匹配。